1
1er Curso Internacional
Diseño Especializado de
Puentes
DISEÑO Y AISLAMIENTO SÍSMICO DE PUENTES
Roberto Gómez Martínez
INSTITUTO DE INGENIERÍA-UNAM
Sucre, Bolivia, 2009
PERSPECTIVA HISTÓRICA (1/2)
1931 (AASHO) Primer código de diseño de
puentes
1941, 1943, 1944 y 1949 (AASHO) Códigos para diseño de puentes
que sólo hacen mención a las
cargas sísmicas
1940 (CALTRANS) Primer código de diseño de
puentes
1943 (CALTRANS) Ya se incluyen normas para
definición de cargas sísmicas
1971 (SEAOC) Se definen fuerzas sísmicas mas
severas.
Espectro ARS
2
PERSPECTIVA HISTÓRICA (2/2)
1982 (ATC-6) Guía para el diseño sísmico de
puentes
1983 (AASHTO) Incluyen ATC-6 como una guía
1991 (AASHTO) Incluyen ATC-6 como una
especificación estándar
1992 (AASHTO) Incluyen ATC-6 como parte de las
especificaciones estándar
1996 (CFE) Manual de Obras Civiles.
Capítulo de Diseño por Sismo.
Puentes
FILOSOFÍA DE DISEÑO SÍSMICO
AASHTO 1992 (ATC-6)
a).- Sismo de diseño-riesgo uniforme
b).- Nivel de diseño- sismo con la misma
probabilidad de excedencia en dife-
rentes regiones
**10% de probabilidad de excedencia en
50 años (Tr = 500 años)
** 15% de probabilidad de excedencia en
75 años (Tr = 500 años)
3
FILOSOFÍA DE DISEÑO SÍSMICO
AASHTO 1992 (ATC-6)
Expectativas de comportamiento:
- Los sismos pequeños y moderados se deberán
resistir en el rango de comportamiento elástico, sin
que se produzca daño significativo
- Los procedimientos de diseño deberán utilizar
fuerzas e intensidades realistas de movimientos
sísmicos
- Bajo un sismo fuerte, no deberá ocurrir el colapso
ni parcial ni total. De preferencia el daño que ocurra
deberá ser fácilmente identificable y de fácil acceso
para ser reparado.
FILOSOFÍA DE DISEÑO SÍSMICO
AASHTO 1992 (ATC-6)
Conceptos básicos para el diseño sísmico:
- Se debe minimizar el riesgo de pérdidas humanas
- Se debe preservar el funcionamiento de los puentes
esenciales
- Los movimientos sísmico que se utilicen para el
diseño deberán tener una baja probabilidad de ser
excedidos durante la vida útil del puente
4
FILOSOFÍAS ACTUALES DE DISEÑO
SÍSMICO (2009)
--- Estados límite
--- Nivel de comportamiento
FILOSOFÍA DE NIVELES DE COMPORTAMIENTO
a).- Nivel de servicio
b).- Nivel de prevención de colapso
5
Asentamiento y agrietamiento en vías de acceso
DAÑOS EN PUENTES OCASIONADOS POR
SISMO
DAÑOS EN PUENTES OCASIONADOS POR
SISMO
6
DAÑOS EN PUENTES OCASIONADOS POR
SISMO
Agrietamiento de pilotes y cabezales
DAÑOS EN PUENTES OCASIONADOS POR
SISMO
Agrietamiento de pilotes y cabezales
7
Falla de elementos
diseñados para
restringir movimientos
laterales
Falla de elementos
diseñados para
restringir movimientos
laterales
8
Falla de elementos
diseñados para
restringir movimientos
laterales
DAÑOS EN PUENTES OCASIONADOS POR
SISMO (México)
- Asentamiento y agrietamiento en los accesos.
- Asentamiento de pilotes.
- Agrietamiento en pilas.
- Agrietamiento de cabezales.
- Falla de elementos diseñados para restringir
movimientos laterales.
9
Kobe, Japón, 1995
ANALISIS SÍSMICO
Análisis estático
F= (fi)(fc)(fs)(fz) W
fi = factor de importancia….1.5
fc = factor de comportamiento sísmico
fs = factor de tipo de terreno
fz = factor de zona
W = peso
10
ZONIFICACIÓN SÍSMICA DE MEXICO
ELECCIÓN DEL TIPO DE ANÁLISIS
MÉTODO SIMPLIFICADO DE ANÁLISIS
MÉTODO DE ANÁLISIS ESTÁTICO
MÉTODO DE ANÁLISIS DINÁMICO (modal y paso a
paso)
MÉTODO DE ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL
11
EL MÉTODO SIMPLIFICADO DE ANÁLISIS SOLO ES APLICABLE A PUENTES REGULARES
LOS PUENTES QUE POSEAN UN CIERTO GRADO DE IRREGULARIDAD SE ANALIZARÁN CON EL MÉTODO ESTÁTICO
LOS PUENTES AÚN MÁS IRREGULARES Y LOS PUENTES ESPECIALES, SE ANALIZARÁN CON EL MÉTODO DINÁMICO
MÉTODO SIMPLIFICADO DE ANÁLISIS
SE APLICA EN PUENTES QUE CUMPLAN CON LOS
SIGUIENTES REQUISITOS:
a) QUE TENGAN DOS O MÁS CLAROS O TRAMOS.
b) QUE SEAN RECTOS Y QUE LA LONGITUD DE SUS
TRAMOS SEA MUY PARECIDA.
12
c) QUE SE PUEDA SUPONER QUE LOS MARCOS
DEL PUENTE TRABAJAN DE MANERA
INDEPENDIENTE, TANTO EN SENTIDO
LONGITUDINAL COMO TRANSVERSAL
d) QUE SUS CLAROS SEAN MENORES DE 40
METROS Y EL ANCHO DE LA CALZADA SEA
MENOR DE 30 METROS
MÉTODO SIMPLIFICADO DE ANÁLISIS (cont.)
MÉTODOLOGÍA:
1. SE ELIGE EL MARCO A DISEÑAR
2. SE OBTIENE LA MASA TRIBUTARIA CORRESPONDIENTE
3. SE CALCULA LA RIGIDEZ LINEAL DEL MARCO EN EL SENTIDO DE ANÁLISIS (K)
MÉTODO SIMPLIFICADO DE ANÁLISIS (cont.)
13
Factores que
afectan la rigidez
lateral
Rigidez lateral relativa
Tipo de componente Muy flexible Muy rígida
Longitud total del
puente
Ancho total del
puente
Tipo de estructura
Continuidad
Geometría en
planta
Viga cajón continua
Viga T continua con
diafragmas
Viga T continua sin
diafragmas
Viga T simplemente
apoyada con diafragmas
Viga T simplemente
apoyada sin diafragmas
______
_____
_______
____
___
RIGIDEZ- SUPERESTRUCTURA
Superestructura
RIGIDEZ
SUPERESTRUCTURA
Carga puntual al centro del
claro:
Carga uniforme:
)1(
483
L
EIK s
)8.01(5
3843
L
EIK s
14
Factores que
afectan la rigidez
lateral
Rigidez lateral relativa
Tipo de componente Muy flexible Muy rígida
Dimensiones
físicas
Tipo de apoyo
Propiedades de
los materiales
Placa deslizante con
topes laterales
Placa deslizante sin
topes laterales
Apoyo elastomérico
Llave de cortante
___
___
___________
___
RIGIDEZ EN
LOS APOYOSApoyos
RIGIDEZ EN
LOS APOYOS
Elastomérico:
Deslizante: Muy alta,
inicialmente, después cero
Cazoleta: Muy alta
Gr: Módulo de cortante del
elastómero
Ar: Área transversal del elastómero
Tr: Espesor total del elastómero
r
rr
T
AGK
15
Factores que
afectan la rigidez
lateral
Rigidez lateral relativa
Tipo de componente Muy flexible Muy rígida
Altura
Propiedades de la
sección
Condiciones y tipo
de la estructura
Una columna
Varias columnas
Muro estructural
_______
__________
______
RIGIDEZ
SUBESTRUCTURASubestructura
RIGIDEZ
SUBESTRUCTURA
Una columna
Extremos empotrado-
empotrado:
Extremos empotrado-
articulado:
3
12
h
EIK c
3
3
h
EIK c
16
Varias columnas
Extremos empotrados-
empotrados:
Extremos empotrados-
articulados:
Muros
h: Altura de la columna o del muro
n: Número de columnas en cada
dirección
3
12
h
nEIK c
3
3
h
nEIK c
Notas
1. Si la rigidez torsional de la estructura es muy alta, use el resultado empotrado-empotrado. Si la rigidez es muy baja use el resultado empotrado-articulado. Si la rigidez está entre ambos casos, incluir el valor actual en el cálculo para la rigidez lateral.
2. Si las columnas no están empotradas ni articuladas, pero forman un marco, se usará la distribución de momentos que se forma para el cálculo de la rigidez.
3. Si la pila tiene el cabezal sobre pilotes o sobre un cilindro, la expresión de arriba puede ser usada con tal que h incluya la profundidad de desplante de los pilotes.
17
Factores que
afectan la rigidez
lateral
Rigidez lateral relativa
Tipo de componente Muy flexible Muy rígida
Profundidad
efectiva
Propiedades de
la sección
Tipo de
estructura
Condiciones del
suelo
Zapata en suelo duro
o en roca
Pilotes inclinados
Pilotes verticales
Zapata corrida en
suelo blando
___
________
_________
_____
CIMENTACIÓN
Cimentación
4. SE OBTIENE EL PERIODO FUNDAMENTAL DE
VIBRACIÓN
5. SE CALCULA EL VALOR DE c CORRESPONDIENTE
AL PERIODO FUNDAMENTAL DE VIBRACIÓN Y SE
DEFINE EL FACTOR DE DUCTILIDAD Q DEL
MARCO
MÉTODO SIMPLIFICADO DE ANÁLISIS (cont.)
gK
WT 2
18
Espectros de diseño para estructuras del
grupo B
Zona
sísmica
Tipo de
sueloao c Ta Tb r
A I
II
II
0.02
0.04
0.05
0.08
0.16
0.20
0.2
0.3
0.6
0.6
1.5
2.9
1/2
2/3
1
B I
II
III
0.04
0.08
0.10
0.14
0.30
0.36
0.2
0.3
0.6
0.6
1.5
2.9
1/2
2/3
1
C I
II
II
0.36
0.64
0.64
0.36
0.64
0.64
0.0
0.0
0.0
0.6
1.4
1.9
1/2
2/3
1
D I
II
III
0.50
0.86
0.86
0.50
0.86
0.86
0.0
0.0
0.0
0.6
1.2
1.7
1/2
2/3
1
sísmico eCoeficient
Exponente
segundosen interés, de natural Periodo
terrenodeln aceleració de eCoeficient
si ;
si ;
si ;)(
c
r
T
a
TTT
Tca
TTTca
TTT
Tacaa
o
b
rb
ba
aa
oo
19
6. LA FUERZA LATERAL EQUIVALENTE E SE
OBTIENE CON
DONDE W ES EL PESO DE LA MASA TRIBUTARIA
MÉTODO SIMPLIFICADO DE ANÁLISIS (cont.)
WQ
cE
KL = Rigidez en la dirección longitudinal
ML = Masa total de la superestructura
MODELO EQUIVALENTE PARA ANÁLISIS LONGITUDINAL
MÉTODO SIMPLIFICADO DE ANÁLISIS (cont.)
20
KT = Rigidez equivalente en la dirección transversal
MT = Masa equivalente de la superestructura en la
dirección transversal
MODELO EQUIVALENTE PARA ANÁLISIS TRANSVERSAL
MÉTODO SIMPLIFICADO DE ANÁLISIS (cont.)
IDEALIZACIÓN DEL PESO/MASA
MÉTODO SIMPLIFICADO DE ANÁLISIS (cont.)
21
MÉTODO DE ANÁLISIS ESTÁTICO
ESTE MÉTODO SERÁ APLICABLE AL ANÁLISIS
DE AQUÉLLOS PUENTES QUE CUMPLAN CON
LOS SIGUIENTES REQUISITOS:
a) QUE TENGAN DOS O MÁS CLAROS O TRAMOS
b) QUE SEAN RECTOS O ALOJADOS EN CURVAS
HORIZONTALES DE POCO GRADO
c) QUE LA LONGITUD DE SUS TRAMOS SEA MUY PARECIDA
d) QUE LA FUERZA SÍSMICA SE DISTRIBUYA EN TODOS LOS MARCOS RESISTENTES
e) QUE LA RELACIÓN DE LA RIGIDEZ LINEAL DETODA LA SUPERESTRUCTURA Y LA RIGIDEZTRANSVERSAL DE LA SUPERESTRUCTURASEAN MENORES DE 120 METROS Y EL ANCHO DELA CALZADA NO SUPERE LOS 30 METROS
MÉTODO DE ANÁLISIS ESTÁTICO (cont.)
22
LA APLICACIÓN DE ESTE MÉTODO SE LLEVA A CABO DE LA SIGUIENTE MANERA:
1. SE APLICA UNA CARGA UNIFORME HORIZONTAL DE MAGNITUD UNITARIA, EN DIRECCIÓN PERPENDICULAR A LA SUPERESTRUCTURA
2. SE OBTIENEN LOS DESPLAZAMIENTOS Y ELEMENTOS MECÁNICOS RESULTANTES DE LA APLICACIÓN DE LA CARGA UNIFORME
MÉTODO DE ANÁLISIS ESTÁTICO (cont.)
MÉTODO DE ANÁLISIS ESTÁTICO (cont.)
23
MÉTODO DE LA CARGA UNIFORME
3. CON BASE EN LOS DESPLAZAMIENTOS
CALCULADOS EN EL PASO ANTERIOR SE
ESCALA EL VALOR DE LA CARGA UNIFORME
PARA QUE PRODUZCA UN DESPLAZAMIENTO
HORIZONTAL MÁXIMO DE UN CENTÍMETRO EN
LA ESTRUCTURA
4. SE CALCULA LA RIGIDEZ LINEAL TOTAL DE LA
ESTRUCTURA MULTIPLICANDO LA LONGITUD
POR EL NUEVO VALOR DE LA CARGA UNIFORME
MÉTODO DE ANÁLISIS ESTÁTICO (cont.)
24
5. SE CALCULA LA CARGA MUERTA TOTAL DE LA
ESTRUCTURA
6. SE DETERMINA EL PERÍODO NATURAL DE
VIBRACIÓN
7. SE CALCULA EL VALOR DE c
CORRESPONDIENTE AL PERIODO
FUNDAMENTAL DE VIBRACIÓN Y SE DEFINE EL
FACTOR DE DUCTILIDAD Q DE LA ESTRUCTURA
gK
WT 2
MÉTODO DE ANÁLISIS ESTÁTICO (cont.)
8. LA FUERZA LATERAL EQUIVALENTE E SE
OBTIENE CON:
DONDE W ES EL PESO DE LA CARGA MUERTA
TOTAL
9. LA FUERZA E SE TRANSFORMA EN UNA CARGA
UNIFORME EQUIVALENTE
WQ
cE
MÉTODO DE ANÁLISIS ESTÁTICO (cont.)
25
EFECTOS BIDIRECCIONALES
LOS EFECTOS DE AMBAS COMPONENTES
HORIZONTALES DEL MOVIMIENTO DEL TERRENO
SE COMBINARÁN TOMANDO, EN CADA DIRECCIÓN
QUE SE ANALICE EL PUENTE, EL 100% DE LOS
EFECTOS DE LA COMPONENTE QUE OBRA EN ESA
DIRECCIÓN Y EL 30% DE LOS EFECTOS DE LA QUE
OBRA PERPENDICULARMENTE EN ELLA, CON LOS
SIGNOS QUE PARA CADA CONCEPTO RESULTEN
MÁS DESFAVORABLES
EFECTOS BIDIRECCIONALES
E = 100% E(transversal) + 30% E (longitudinal)
E = 30% E (transversal) + 100 % E (longitudinal)
==========================================
E = 100% E(transversal) + 30% E (longitudinal) + 30 % (vertical)
E = 30% E(transversal) + 100% E (longitudinal) + 30 % (vertical)
E = 30% E(transversal) + 30% E (longitudinal) + 100 % (vertical)
26
MÉTODOS DE ANÁLISIS DINÁMICO
CUANDO NO SE SATISFAGAN LOS REQUISITOS
PARA APLICAR CUALQUIERA DE LOS MÉTODOS
DE ANÁLISIS ESTÁTICO, SE EMPLEARÁN LOS
SIGUIENTES MÉTODOS DE ANÁLISIS DINÁMICO:
ANÁLISIS MODAL
ANÁLISIS POR INTEGRACIÓN PASO A PASO
ANÁLISIS MODAL
LA PARTICIPACIÓN DE CADA MODO NATURAL DE
VIBRACIÓN EN LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE
LA ESTRUCTURA SE DEFINIRÁ CON BASE EN LAS
ACELERACIONES ESPECTRALES DE DISEÑO
REDUCIDAS
27
LAS RESPUESTAS MODALES S, (DONDE S, PUEDE
SER FUERZA CORTANTE, FUERZA AXIAL,
DESPLAZAMIENTO LATERAL, MOMENTO
FLEXIONANTE, ETC.), SE COMBINARÁN PARA
CALCULAR LAS RESPUESTAS TOTALES S DE
ACUERDO CON LA EXPRESIÓN:
2/1
1
2
n
i
isS
ANÁLISIS MODAL (cont)
ANÁLISIS PASO A PASO
SI SE EMPLEA ESTE MÉTODO, PODRÁ ACUDIRSE A
ACELEROGRAMAS DE TEMBLORES REALES O DE
MOVIMIENTOS SIMULADOS, O COMBINADOS DE
ÉSTOS.
AL MENOS 4 HISTORIAS DE TEMBLORES SIMULADOS
EN CADA DIRECCIÓN DE ANÁLISIS.
28
ANÁLISIS ESTÁTICO NO LINEAL
LA CARGA GRAVITACIONAL ES CONSTANTE Y SE
APLICAN CARGAS LATERALES MONÓTONAS
CRECIENTES.
SE MIDE LA CAPACIDAD DE D ESPLAZAMIENTO DE
UN PUENTE AL LLEGAR AL MECANISMO DE
COLAPSO
EFECTOS BIDIRECCIONALES
CUALQUIERA QUE SEA EL MÉTODO DE ANÁLISIS DINÁMICO QUE SE EMPLEE, LOS EFECTOS DE MOVIMIENTOS HORIZONTALES DEL TERRENO EN DIRECCIONES ORTOGONALES, SE COMBINARÁN COMO SE ESPECIFICA EN RELACIÓN CON EL MÉTODO DE ANÁLISIS ESTÁTICO
29
ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO
ADEMÁS DEL CÁLCULO DE LAS LONGITUDES DE
APOYO Y HOLGURAS PARA TENER EN CUENTA LOS
EFECTOS POR CAMBIOS DE TEMPERATURA,
FLUENCIA Y CONTRACCIÓN DEL CONCRETO, SE
DEBEN CALCULAR LOS LONGITUDES DE APOYO
PARA TOMAR EN CUENTA LOS EFECTOS DEL SISMO.
LONGITUD DE APOYO
LA LONGITUD MÍNIMA DE APOYO D, EN MILÍMETROS,
DE LAS TRABES O TABLEROS SOBRE LA
SUBESTRUCTURA SE CALCULARÁ COMO SIGUE:
HLD 35.808.2254
30
DONDE L ES:
• La longitud, en metros, entre dos apoyos adyacentes
• o la longitud entre el apoyo y la junta de expansión
más cercana
• o la suma de las longitudes a los lados de una
articulación dentro de un claro
DONDE H ES :
• La altura de la pila, en metros, cuando está formada
por una o varias columnas
• La altura promedio de las columnas o pilas más
cercanas, si se trata de una junta de expansión más
cercana que soporta la superestructura, si se trata
de un estribo
• H=0 para puentes de un solo tramo
31
MOVIMIENTOS RELATIVOS
ADEMÁS DE LOS EFECTOS ANTERIORES, LOS
PUENTES DEBEN SER DISEÑADOS PARA SOPORTAR
LOS EFECTOS DE MOVIMIENTOS RELATIVOS
OCASIONADOS POR LOS MISMOS MOVIMIENTOS
SÍSMICOS O POR FALLAS DEL TERRENO
Variabilidad espacial……..
yR
z
SFFrL
EAtM
/
DISEÑO DE TOPES LATERALES
yR
z
SFFrL
EAtM
/yR
z
SFFrL
EAtM
/yR
z
SFFrL
EAtM
/
FUERZA SÍSMICA ACTUANDO EN EL TOPE =
( Carga muerta tributaria de la superestructura, correspondiente
al tope en cuestión )
x
( aceleración del espectro de diseño correspondiente al periodo
fundamental del puente )
Nota : la altura del tope debe ser tal que la fuerza sísmica
actuando en el tope se aplique a 2/3 de la altura del mismo
32
INTERACCIÓN SUELO-ESTRUCTURA
Como una aproximación a los efectos de la
interacción suelo-estructura será valido incrementar el
período fundamental de vibración y los
desplazamientos calculados en el puente bajo la
hipótesis de que éste se apoya rígidamente en su base
Tipo y geometría de la cimentación
Terreno o suelo
CIMENTACIONES
Zapatas
Pilotes
Pilas coladas en sitio (pilastrones)
Cilindros
33
CIMENTACIONES CIRCULARES
TIPO DE MOVIMIENTO
Traslación vertical 4GR/(1-n)
Traslación horizontal 8GR/(2-n)
Giro de torsión 16GR3/3
Giro de flexión 8GR3/3(1-n)
G = módulo de rigidez al corte del semi-espacio
n = módulo de Poisson del semi-espacioR = radio de la zapata
CIMENTACIONES RECTANGULARES
KR = b K
donde:
= factor de forma
b = factor de desplante
K = coeficiente de rigidez para una cimentación circular
34
CIMENTACIONES RECTANGULARES
1 2 3 4
1.10
1.05
1.0
FA
CT
OR
D
E
FO
RM
A, β 1.15
1.20
Y
X
2B
2L
TRANSLACIÓN H
ORIZ
ONTAL
(DIR
ECCIÓN X
)
TORSIÓN (EJE Z)
ROTACIÓN
TRANSLACIÓN HORIZONTAL
(DIRECCIÓN Y)
TRANSLACIÓN VERTICAL
(DIRECCIÓN Z)
GIRO (E
JE Y)
GIR
O (EJE
X)
Z
CIMENTACIONES RECTANGULARES
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
9.0
FA
CT
OR
DE
DE
SP
LA
NT
E,
β
TR
AN
SL
AC
ION
AL
(V
ER
TIC
AL
Y H
OR
IZO
NT
AL
)
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
TO
RS
ION
AL
Y R
OT
AC
ION
AL
β
HO
RIZ
ON
TA
L
US
E E
JE
IZQ
UIE
RD
O
RO
TA
CIO
NA
L
US
E E
JE
DE
RE
CH
O
TO
SIO
NA
L
US
E E
JE
DE
RE
CH
O
VERTICAL
USE EJE IZ
QUIE
RDO
35
Zapata
rectangular
Zapata
circular
equivalente
Radio equivalente
2L
2BD
13
2
R
3
22B
RADIO EQUIVALENTE
BLR
40
4/122
36
)44(4
LBBLR
4/13
23
)4()2(
LBR
4/13
13
)2()2(
LBR
RADIOS EQUIVALENTES
Traslación
Rotación
Flexión alrededor de X
Rotación
Flexión alrededor de X
Torsión
36
equivalenteequivalente equivalente
Sistema
puente-
cimentación
MODELOS PARA REPRESENTAR LA
RIGIDEZ DE LA CIMENTACIÓN
H H HH
x
M
H 4
K K
K K
x
xxx
H
M
x
1.- Poulos
2.- Blaney
3.- Kaynia
4.- Gómez
MODELOS DE RESORTES EN LA BASE
37
ESTRIBOS
Convencionales (cabezal, muro, aleros, diafragma); no
monolíticos
Cabezal sobre pilotes o pilas coladas en sitio
Monolíticos
38
COMPORTAMIENTO INELÁSTICO
ELEMENTOS ESTRUCTURALES
DISPOSISTIVOS REDUCTORES DE LA RESPUESTA SÍSMICA
DISIPACIÓN DE ENERGÍA
SÍSMICA
DISPOSITIVOS DE
CONTROL PASIVO
DISPOSITIVOS DE
CONTROL ACTIVO
39
CONTROL PASIVO
Disipadores de energía
Aisladores de base
Osciladores resonantes
Puentes – aislamiento sísmico
SEAOC (1986)
AASHTO (1994)
AASHTO (2001)
40
Objetivos:
Reducir las fuerzas sísmicas
Reducir el daño
AISLAMIENTO SÍSMICO
Mecanismo de respuesta de un puente con aisladores
Desplazamiento relativo
Posición desplazada
Cb
Kb
41
Apoyo elastomérico con centro de plomo
AceroPlomoElastómero
Fy
F1
Fr
F
F1
K1
KO
Kr
Kd
Ku
y
y1
y
Qd
a) Núcleo de plomo
b) Apoyo elastomérico
c) Combinación
plomo-elastómero
Diagramas idealizados fuerza-desplazamiento
42
Fuerza
cortante
Desplazamiento
Incremento
del núcleo
plomo
Características fuerza-deflexión por variaciones
en el diámetro del núcleo de plomo
Fuerza
cortante
Desplazamiento
Incremento de
las dimensiones
del elastomero
Características fuerza-desplazamiento por
variación de las dimensiones del elastómero
43
Fu
erz
a
Desplazamiento
Comportamiento
Histeretico
n
Fn
Fp
p
keff
Fu
erz
a
Desplazamiento
Comportamiento Viscoelástico
n
Fn
Fp
p
keff
44
Fy
FD
DistorsiónDy Dmax
Respuesta
idealizada
Respuesta real
Respuesta del
sistema elástico
Fe
Respuesta estructural del Sistema Inelástico
Fu
erz
a
Apoyo deslizantes
Superficie aislante
45
FILOSOFÍA DE DISEÑO
Apoyo
aislado
Pila inelástica
Pila elástica
A
B
Apoyo
aislado
Fy
FD
DistorsiónDy Dmax
Respuesta
idealizada
Respuesta real
Respuesta del
sistema elástico
Fe
Respuesta estructural típica de un sistema inelástico
Fu
erz
a
FACTOR DE COMPORTAMIENTO SÍSMICO (R)
y
DD
DR max
46
Elementos básicos:
Apoyo flexible
Amortiguador o disipador de energía
Alta rigidez para niveles de carga de servicio
AISLAMIENTO SÍSMICO
1 GL
gxmkxxcxm.....
MARCO BIDIMENSIONAL
gx..
47
Espectro de respuesta para diferentes niveles de amortiguamiento
Aceleración
Periodo
Incremento de amortiguamiento
Aceleración
Desplazamiento
Periodo
Periodo
Curva idealizada del
espectro de respuesta
de aceleraciones
Curva idealizada del
espectro de respuesta de
desplazamientos
Cambio de periodo
Cambio de periodo
48
AISLAMIENTO SISMICO
• Puente Infiernillo
• Longitud total: 515 m
• Ancho total : 18m
• 5 claros simplemente apoyados
• Longitud de las armaduras: 102 m
• Peso de cada armadura: 1500t
• Columnas de concreto
• Cimentación profunda
(cilindros y pilotes)
Puente Infiernillo
49
ZONIFICACIÓN SÍSMICA DE MEXICO
50
Perno de
cortante
Bloque movil
de apoyo
Placa base
Disco de
Poliuretano
Resorte MER
Caja guía
Placa de reacción
Disco de PTFE
Superficies de
contacto
AISLADOR SISMICO
51
Trabe
Superficie de TFE
Placa de deslizamiento
Placa de reacción
Bloque de apoyo
Placa de reacciónPlaca de mampostería
Regulador de energía de masa
AISLADOR SISMICO
Aislador sísmico
52
Modelo bilineal de histéresis
EDC
max-
Qd
Fy
Fmax+
-Fmax
y max+
Ku
Kd
Keff Ku
Desplazamiento
(mm)
Fuerza
(t)
AISLAMIENTO SÍSMICO
Características del sistema:
np
np
eff
FFk
)2
12
ieff dk
DCAreaTotalEx
b
53
AISLAMIENTO SÍSMICO
Pruebas requeridas en el reglamento:
1. Pruebas de caracterización del aislador
2. Pruebas del prototipo
3. Pruebas de control de calidad
Pruebas de laboratorio, MCEER, Universidad Estatal de
New York
54
Prueba de un aislador sísmico; carga lateral y vertical
Prueba de un aislador sísmico; carga lateral y vertical
55
Prueba combinada compresión y cortante.
Aislador SísmicoF
uerz
ala
tera
l (K
ips)
Desplazamiento lateral (pulgadas)
RESULTADOS DE LAS PRUEBAS COMBINADAS DE
COMPRESIÓN Y CORTANTE DE 4 AISLADORES
Aislador EDC(kip-in) KEFF(kips/in)
1 802.4 37.8
2 851.9 39.0
3 974.4 41.8
4 825.0 43.7
Promedio 863.4 40.6
Diseño: EDC=893 kip-in; keff=42.1 kips/in; desp.=3.38in
56
Respuesta carga-desplazamiento del aislador
W = 375 t; EDC = 10200 t-mm; Kmer = 0.447 t/mm
Otras razones
COSTO
EXPERIENCIA
DURABILIDAD
POCO MANTENIMIENTO
PRUEBAS DE LABORATORIO
57
MODELO MATEMÁTICO
detalle
Masa adherida
Ma = (r p D2)/4
MODELO MATEMÁTICO
58
ESPECTRO DE DISEÑO
Elastic Spectrum
Composite Spectrum
for Isolated Bridge
Periódo del puente
Sin aisladores
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
PERIOD (s)
AC
CE
LE
RA
TIO
N (
g)
Periódo del puente
Con aisladores
Modos estructurales
Con 5% amort. Modos aislados
MOVIMIENTOS DEL TERRENO
(registros sísmicos)
- Proceso estocásticos no
estacionario
- Periódos de recurrencia de 100 y
200 años
59
1infier001
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
0 10 20 30Time (s)
Ac
ele
rati
on
(c
m/s
2)
1infier002
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
0 10 20 30Time (s)
Ac
ele
rati
on
(c
m/s
2)
1infier003
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
0 10 20 30Time (s)
Ace
lera
tio
n (
cm
/s2
)
RESPONSE SPECTRUM (5 %)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3PERIOD (s)
Ace
lera
tio
n (
cm
/s2
)
1
2
3
Movimientos artificiales
Acele
ració
n(g
al)
Accele
ració
n(g
al)
Acele
ració
n (
gal)
Acele
ració
n(g
al)
2infier001
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 10 20 30Time (s)
Ac
ele
rati
on
(c
m/s
2)
2infier002
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 10 20 30Time (s)
Ace
lera
tio
n (
cm
/s2)
2infier003
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 10 20 30Time (s)
Ace
lera
tio
n (
cm
/s2)
RESPONSE SPECTRUM (5 %)
0
200
400
600
800
1000
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3PERIOD (s)
Ac
ele
rati
on
(c
m/s
2)
1
2
3
Movimientos artificiales (cont.)
Acele
ració
n(g
al)
Acele
ració
n(g
al)
Acele
ració
n(g
al)
Acele
ració
n(g
al)
60
CARACTERÍSTICAS DE LOS REGISTROS ARTIFICIALES
Tr = 50 años Tr = 100 años
IDLongitud
(s)
Aceleración
máxima
(gals)
Aceleración
espectral
máxima
(gals)
IDLongitud
(s)
Aceleración
máxima
(gals)
Aceleración
espectral
Máxima
(gals)
1infierf001 29.14 72 327 2infier001 25.42 235 848
1infier002 22.42 173 676 2infier002 23.96 174 610
1infier003 24.90 143 406 2infier003 33.06 267 775
Movimientos registrados
RESPONCE SPECTRUM (5 %)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
PERIOD (s)
AC
CE
LE
RA
TIO
N (
gal)
VERTICAL
N75E
N15W
IMPT9701.111 VERTICAL
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 20 40 60 80 100
TIME (s)
AC
CE
LE
RA
TIO
N (
gal)
IMPT9701.111 N75E
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 20 40 60 80 100
TIME (s)
AC
CE
LE
RA
TIO
N (
gal)
IMPT9701.111 N75W
-300
-200
-100
0
100
200
300
0 20 40 60 80 100
TIME (s)
AC
CE
LE
RA
TIO
N (
gal)
61
ACELEROGRAMAS REGISTRADOS
ID FechaDur.
(s)
Vert..
Acel..
(gals)
E-W.
Acel.
(gals)
N - S
Acel.
(gals)
Vert..
Spec.
Acel.
(gals)
E - W
Spec.
Acel.
(gals)
N - S
Spec..
Acel.
(gals)
INMD8509.191 19/09/85 86.73 83.76 99.63 142.63 262.04 41.24 438.53
INMD9412.101 10/12/94 55.79 112.93 211.50 173.22 358.97 694.82 642.11
INMD9906.211 21/06/99 57.24 133.51 140.83 221.04 470.14 444.14 690.92
INMD9412.101 10/12/94 76.71 269.88 376.59 541.20 1057.10 1176.90 38.12
INMI9701.111 11/01/97 93.02 278.97 334.00 450.75 861.90 1400.50 1294.50
INMI9906.211 21/06/99 76.32 224.84 438.81 521.66 22.52 25.79 39.02
IMPT9701.111 11/01/97 89.11 190.43 332.62 282.37 50.57 53.79 81.62
INPT9906.211 21/06/99 72.44 205.30 249.75 195.19 737.40 840.24 74.73
HISTORIAS DE DESPLAZAMIENTO
EN NODOS DEL AISLADOR
-0.025
0
0.025
0 5 10 15 20 25Tiempo (s)
De
sp
laza
mie
nto
(m
)
Armadura
Cabezal
Tiempo(s)
Desp
lazam
ien
to (m
)
62
HISTORIAS DE FUERZAS CORTANTES
AISLADOR SÍSMICO
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
0 5 10 15 20 25Tiempo (s)
Desp
lazam
ien
to (
m)
Cor Y
Cor X
Tiempo (s)
Fu
erz
aco
rtan
te (
t)
Ciclos de histéresis (registros simulados)
PILA 2 PILA 4
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-100 -50 0 50 100
DESPLAZAMIENTO (mm)
CO
RTA
NT
E (
t)
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-100 -50 0 50 100
DESPLAZAMIENTO (mm)
CO
RTA
NT
E (
t)
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-100 -50 0 50 100
DESPLAZAMIENTO (mm)
CO
RTA
NT
E (
t)
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-100 -50 0 50 100
DESPLAZAMIENTO (mm)
CO
RTA
NT
E (
t)
63
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-100 -50 0 50 100
DISPLACEMENT (mm)
SH
EA
R (
t)
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-100 -50 0 50 100
DISPLACEMENT (mm)
SH
EA
R (
t)
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-100 -50 0 50 100
DISPLACEMENT (mm)S
HE
AR
(t)
-70
-50
-30
-10
10
30
50
70
-100 -50 0 50 100
DISPLACEMENT (mm)
SH
EA
R (
t)
Ciclos de histéresis (movimientos registrados)
PILA 2 PILA 4
REACCIONES (ANÁLISIS MULTIMODAL)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
2 3 4 5
PILA
Co
rtan
te L
on
git
ud
inal (t
)
SIN AISLADORES
CON AISLADORES
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
2 3 4 5
PILA
Co
rtan
te T
ran
sv
ers
al (t
) SIN AISLADORES
CON AISLADORES
64
REACCIONES NORMALIZADAS (NO LINEAL, DINÁMICO)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Co
rtan
te (t)
20
0-1
20
0-2
20
0-3
10
0-1
10
0-2
10
0-3
10
0-4
10
0-5
10
0-6
50
-1
50
-2
50
-3
19
/08
/19
85
12
/01
/19
94
PILA 2
PILA 3
PILA 4
PILA 5
SISMO
PILA 2 PILA 3 PILA 4 PILA 5
HISTORIA DE DESPLAZAMIENTOS VERTICALES EN
UN AISLADOR EN LA PILA 4
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0 20 40 60 80 100
Tiempo (s)
Desp
lazam
ien
to (
m)
Aislador 9
Aislador 10
Aislador 11
Aislador 12
65
HOLGURAS
B
TAS effi8
g
W2
effkTeff
JUNTAS MODULARES
66
RESULTADOS
(Puente Infiernillo)
Las fuerzas cortantes y momentos flexionantes
disminuyen , comparados con los obtenidos de un
análisis estático y modal espectral
Los desplazamientos aumentan en más de 2 veces su
magnitud, comparados con los obtenidos de un análisis
estático o modal espectral
COMENTARIOS FINALES
Los apoyos como los aquí mostrados son fácil de
adaptar al diseño de puentes
La disipación de energía se concentra en elementos
especialmente diseñados para ello
La respuesta del puente depende de las características
del apoyo y del número y posición de los mismos
Son de fácil mantenimiento
67
Puente Infiernillo
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